Работа № 1 исследование полупроводниковых фотодиодов

Целью работы является исследование характеристик и определение основных параметров приемников оптического излучения – полупроводниковых фотодиодов.

1.1. Основные сведения о полупроводниковых фотодиодах

Фотодиоды в настоящее время являются наиболее распространенными приемниками излучения. Основным элементом фотодиода является р‑n‑переход, наличие потенциального барьера и внутреннего электрического поля в котором создает благоприятные условия для пространственного разделения носителей заряда, созданных в результате фотоактивного поглощения света. Это позволяет использовать фотодиодные структуры как для детектирования электромагнитного излучения оптического диапазона, так и для генерирования фото-ЭДС и преобразования оптической мощности в электрическую.

Рассмотрим p-n-переход, на который со стороны p-области падает оптическое излучение с энергией фотонов ħω, как это показано на рис. 1.1. Будем считать, что коэффициент поглощения k_ω в полупроводнике не очень велик и свет глубоко проникает в структуру, достигая области объемного заряда и n-области. В этом случае в соответствии с законом Бугера–Ламберта в каждой из областей фотодиодной структуры будет происходить поглощение фотонов с энергией ħω > E_g. Электроны, находящиеся в валентной зоне, в результате квантовых переходов с поглощением фотона будут переходить в свободное состояние в зоне проводимости, а на их месте в валентной зоне появятся дырки, т. е. будет происходить процесс генерации электронно-дырочных пар (внутренний фотоэффект). У фотонов с ħω < E_g будет недостаточно энергии для генерации пар, и фотоактивного поглощения происходить не будет.

Если поглощение фотона произошло в p- или n-области далеко от области объемного заряда, то для сгенерированных неравновесных носителей будет очень высока вероятность рекомбинации. В области объемного заряда p-n-перехода существует внутреннее электрическое поле Е, под воздействием которого свободные носители заряда будут перемещаться в противоположных направлениях: электроны – против поля в n-область, а дырки – по полю в p‑область (процесс 1 на рис. 1.1). Однако толщина слоя объемного заряда обычно очень мала, поэтому вероятность поглощения фотона в этой области также незначительна. Генерация светом избыточных носителей заряда происходит в основном в областях, непосредственно примыкающих к p-n-пере­ходу (процессы 2 и 3). Эти избыточные носители заряда диффундируют к области объемного заряда. Если генерация произошла на расстоянии меньшем, чем диффузионная длина L_n или L_p для неосновных носителей заряда, то они успеют дойти до p-n-перехода, не рекомбинируя с основными носителями. В области объемного заряда неосновные носители подхватываются полем и выбрасываются в противоположную область структуры. Созданные светом и разделенные p-n-переходом избыточные носители заряда накапливаются в разных областях, при этом p-область будет заряжаться положительно, а n‑область – отрицательно.

Таким образом, под действием света в p-n-переходе происходит разделение носителей заряда и в режиме холостого хода в фотодиоде возникает разность потенциалов U_хх. При замыкании контактов через нагрузку будет течь фототок I_ф, пропорциональный скорости генерации G избыточных электронно-дырочных пар в области, ограниченной диффузионными длинами неосновных носителей заряда. Этот фототок будет изменять (уменьшать) контактную разность потенциалов, вследствие чего через переход начнет проходить ток в прямом направлении, значение которого

,

(1.1)

где I_S – ток насыщения, который создается свободными носителями заряда, генерируемыми за счет теплового возбуждения.

Фототок обусловлен неосновными носители заряда, поэтому он совпадает по направлению с обратным током р-n-перехода. Можно считать, что величина фототока практически не зависит от приложенного напряжения. Тогда вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотодиода (1.1) при освещении имеет вид:

(1.2)

Это общее уравнение фотодиода. ВАХ р-n-перехода в отсутствие освещения (G = 0) и при воздействии света (G > 0) представлена на рис. 1.2. В случае разомкнутой цепи (режим холостого хода) фотоЭДС U_хх определяется из (1.2) при I = 0:

.

(1.3)

Из (1.2) при U = 0 (режим короткого замыкания) находим, что ток короткого замыкания равен фототоку:

Iкз = Iф.

(1.4)

Фотодиод может использоваться в двух режимах работы – фотодиодном и вентильном (режиме генерации фотоЭДС). В первом случае на диод подается обратное напряжение, и ток через структуру является функцией интенсивности света. Фотодиодному режиму соответствует третий квадрант вольт-амперной характеристики (рис. 1.2). В этом режиме фотодиод работает как фотодетектор и используется для регистрации электромагнитного излучения с длиной волны, лежащей внутри диапазона чувствительности фотоприемника. Зависимость фототока от величины светового потока Ф для такого режима работы является линейной. Аналогичная зависимость наблюдается для фототока короткого замыкания I_кз.

В вентильном режиме фотодиод сам используется в качестве источника напряжения или тока. Такому режиму соответствует второй квадрант ВАХ. При этом фотодиод нагружен на сопротивление R, ток и напряжение находят из общего уравнения фотодиода (1.2)

,

(1.5)

где I_R = U_R/R.

В вентильном режиме фотодиод работает как преобразователь оптической энергии в электрическую. Мощность, снимаемая с фотодиода, определяется площадью квадрата, ограниченного I_R и U_R (рис. 1.2). Этот режим используется при работе солнечных батарей. В режиме генерации фотоЭДС на зависимость фототока от величины светового потока Ф существенное влияние оказывает величина нагрузочного сопротивления R.

Величина фотоотклика, возникающего в фотодиоде при освещении его излучением Ф мощностью P, определяется квантовой эффективностью, или квантовым выходом, представляющим собой число фотогенерированных электронно-дырочных пар, отнесенное к числу падающих фотонов

,

(1.6)

где J_ф – плотность фототока, А – площадь освещаемой поверхности фотодиода. Однако обычно сравнительным критерием качества фотодиодов является чувствительность, которая определяется как отношение фототока к величине светового потока:

.

(1.7)

Чувствительность связана с квантовым выходом фотодиода (1.6)

.

(1.8)

Спектральная зависимость чувствительности является одной из важнейших характеристик фотодиода. Рассмотрим р-n-переход, освещенный со стороны р-области. Если толщина этой области меньше диффузионной длины для электронов (d < L_n), то все фотогенерированные в р-слое носители заряда дойдут до р-n-перехода и дадут вклад в фотоэффект. При малых значениях (ħω – E_g) фототок пропорционален показателю поглощения, и при k_ω < 1/d спектральная зависимость фототока будет определяться спектром поглощения. При продвижении в коротковолновую область при ħω > E_g показатель поглощения быстро возрастает, и в случае k_ω >> 1/d практически все излучение будет поглощаться в р-области. Дальнейшее увеличение k_ω не приводит к росту фототока.

Если толщина р-области больше диффузионной длины L_n (d > L_n), то при увеличении k_ω все большая часть излучения будет поглощаться вдали от p-n-перехода и все меньшая часть генерированных неосновных носителей заряда достигать области объемного заряда. Поэтому при d > L_n в спектрах фотоЭДС и фототока будет наблюдаться максимум.